一种便携式柔性肘关节外骨骼机器人的制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种便携式柔性肘关节外骨骼机器人，具体是一种基于串联弹性驱动器（series elastic actuator, SEA）的绳驱肘关节外骨骼机器人。

背景技术：

随着我国人口老龄化的加剧，上肢运动功能障碍作为中老年人的常见疾病，病发率逐年上升。为了解决上肢运动功能障碍对患者带来的不便，目前康复治疗主要有临床康复治疗和使用康复设备治疗。临床康复治疗主要依赖于康复治疗师与患者一对一的治疗，然而这样耗费太多的人力物力，因此人们越来重视对康复设备的研究。上肢外骨骼机器人相比于其他康复设备因能实现人的智能与机器力量互补而广受关注。将上肢外骨骼机器人技术运用到医疗康复领域，能为患者提供更加针对、有效的康复训练。

目前，对于上肢外骨骼机器人的研究，国外起步较早，已有一些不错的成果。而国内的一些科研院校也开始展开研究，取得了不小的进展。对比现有的国内外大多数研究，发现其存在如下的问题：结构复杂、穿戴麻烦；机器人驱动刚性大、不具备柔性，在患者的康复训练过程中容易造成二次伤害。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201210244874.2，该技术公开了一种可控变刚度柔性肘关节康复机器人，其穿戴式外骨骼机构有一个自由度，其结构主要包括大臂、小臂、驱动轮和支撑架。驱动方式采用非线驱动机构包括电机丝杆和连杆弹簧非线性机构。该驱动系统具备一定的柔顺性，可以保证患者在使用过程中有较高的安全性。但该结构过于繁杂，穿戴很不方便，缺乏便携性，且控制复杂。

中国专利申请号201410377134.5，该技术公开了一种并联驱动关节的上肢外骨骼结构，包括肩关节、肘关节和腕关节的设计。该设计解决了现有的上肢外骨骼机器人运动精度差，体积大，运动范围小的问题。但其采用齿轮啮合传动，要求制造和安装精度较高，价格昂贵，采用三组齿轮传动结构过于繁琐，且运动缺乏柔性。

中国专利申请号201410855081.3，该技术公开了一种七自由度外骨骼式上肢康复机器人，包括依次相连的前臂和腕关节机构、肘关节机构、肩关节机构、座椅机构。其通过电机驱动控制，辅助偏瘫患者对上肢患肢进行主动与被动训练。该驱动控制过于复杂，其驱动关节与刚性电机直接相连，运动缺乏柔性，不能保证安全性，另外，该机器人要求患者必须坐在座椅上进行康复治疗，结构没有考虑便携性。

技术实现要素：

本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种便携式柔性肘关节外骨骼机器人。本发明借鉴串联弹性驱动器（series elastic actuator, SEA）的驱动原理，开发一种肘关节柔性驱动方式。与传统的驱动器相比，SEA是在刚性驱动动力源与负载之间串联入弹簧，其驱动模式更接近于人体肌肉的力学特性，更适合应用在与人体密切接触的外骨骼机器人系统中。柔性驱动器不仅能够实现精确的力控制，而且具有低输出阻抗，高抗冲击载荷，稳定力输出等优点。

同时，本发明采用绳驱的方式，将驱动器与肘关节外骨骼分开布置，驱动器输出部分与绳驱轮盘连接，通过钢丝绳过渡与肘关节外骨骼关节相连，在外骨骼关节处同样采用绳驱轮盘的形式，实现驱动。在穿戴机器人时可将驱动器以及控制装置放入后背包，相比于其他将驱动器直接布置在外骨骼关节处的结构，该设计结构简洁紧凑，穿戴便携，提高了运动柔性，减小了外骨骼的重量，并相应地增加了其负载能力。

另外，考虑到人体肘关节的运动是一种松散的铰链运动，本发明在肘关节外骨骼的设计中除了肘关节的伸屈自由度外，另加入了两个被动自由度。通过内臂套与外臂套的相对运动来实现这两个被动自由度。被动自由度一可实现上臂内套相对上臂外套绕着上臂中心轴转动，从而实现外骨骼的驱动轴在水平面内转动。被动自由度二可实现前臂内套相对前臂外套沿着前臂中心轴滑动，从而实现外骨骼驱动轴在矢状面内平动。本发明通过在外骨骼机构中添加被动自由度，使外骨骼驱动轴与穿戴者肘关节转动轴在手臂运动时达到一定的自适应调整，使外骨骼穿戴更舒适，更安全。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种便携式柔性肘关节外骨骼机器人，其特征在于：包括肘关节外骨骼机构、驱动机构和控制装置。

所述肘关节外骨骼机构包括上臂支撑机构、主传动机构以及前臂支撑机构，所述上臂支撑机构包括两个上臂支撑板、上臂外套和用于固定手臂上臂的上臂内套，上臂外套将两侧的上臂支撑板固定连接组成能够放置手臂上臂的空间，上臂内套可旋转的设于上臂外套内侧，上臂内套可绕上臂外套的中心轴转动；所述前臂支撑机构包括两个前臂支撑板、前臂外套和用于固定手臂前臂的前臂内套，所述前臂外套将两侧的前臂支撑板固定连接组成可以放置手臂前臂的空间，前臂内套设于前臂外套内侧，前臂内套能够相对前后滑动的与前臂外套相连，所述两个上臂支撑板与两个前臂支撑板通过主传动机构相连；

所述主传动机构包括两个上臂转盘、两个前臂转盘以及空心轴编码器，所述两个上臂转盘分别与两个前臂转盘通过两个支撑轴连接，上臂转盘和前臂转盘可绕相应的支撑轴旋转，所述空心轴编码器与两个支撑轴的其中一个相连，两个上臂转盘分别与两个上臂支撑板固定相连，两个前臂转盘分别与两个前臂支撑板固定相连；两个上臂转盘内侧分别固定设有一个弧形槽导轨，所述上臂内套下部两端分别设有与弧形槽导轨配合的弧形滑块，两个前臂转盘中的一个外侧设有固定相连且同轴的外骨骼驱动轮盘，所述外骨骼驱动轮盘与驱动机构的输出端相连；所述空心轴编码器检测的信号接入控制装置，所述控制装置控制驱动机构来驱动外骨骼驱动轮盘旋转，从而驱动两个前臂支撑板相对于两个上臂支撑板旋转，进而驱动肘关节外骨骼机构手臂运动。

优选的，所述驱动机构包括绳驱传动机构、驱动器、以及绳驱固定座，所述绳驱传动机构包括两条钢丝绳、绳驱V型支撑块、两个钢丝绳管、绳驱支撑座和驱动器绳驱轮盘，两条钢丝绳的两端分别固定在外骨骼驱动轮盘和驱动器绳驱轮盘上不同位置，两条钢丝绳交叉设置，两个钢丝绳管分别套在两条钢丝绳上，两个钢丝绳管的一端通过绳驱V型支撑块压紧固定在上臂转盘上，两个钢丝绳管的另一端通过线管套固定在绳驱支撑座上；所述驱动器为串联弹性驱动器，所述驱动器绳驱轮盘与串联弹性驱动器的输出端相连，所述串联弹性驱动器内的编码器检测信号也接入控制装置，所述控制装置提供电源，控制串联弹性驱动器的输出端的旋转和旋转幅度；所述绳驱支撑座和串联弹性驱动器均固定在绳驱固定座上。

优选的，所述弧形滑块为工字型滑块，所述弧形槽导轨内侧设有弧形滑块限位件，所述弧形滑块限位件上边沿卡在工字型滑块的中部凹槽内，弧形滑块限位件两端与弧形槽导轨另一边之间距离小于工字型滑块底部宽度。

优选的，所述两个前臂外套内侧分别设有方向与前臂外套平行的直线导轨，所述两个直线导轨上均设有可前后滑动的直线导轨副，所述两个直线导轨副分别与前臂内套两边相连。

优选的，所述上臂转盘均与支撑轴固定连接，支撑轴与前臂转盘均通过挡边轴承相连，支撑轴靠近前臂转盘一端设有卡簧槽，所述卡簧槽内设有防止挡边轴承相对于支撑轴轴向移动的卡簧。

优选的，所述上臂转盘与相应的前臂转盘相对的内侧分别设有弧形限位块，所述上臂转盘和前臂转盘上弧形限位块交错设置，通过弧形限位块限制上臂转盘和前臂转盘相对旋转角度。

优选的，所述两条钢丝绳的一端分别设有圆柱头，两条钢丝绳的圆柱头分别通过气孔螺钉与外骨骼驱动轮盘相连上下位置固定相连，两条钢丝绳的另一端分别设有钢丝卡头，两条钢丝绳端部的钢丝卡头分别通过气孔螺钉与驱动器绳驱轮盘上下位置固定相连。

本发明相比现有技术具有以下优点：

串联柔性驱动器更适用于与人体密切接触的外骨骼机器人系统，本设计将串联柔性弹性驱动器应用到肘关节外骨骼机器人中，通过模拟人体肌肉的收缩方式，实现在运动中的主动助力和被动缓冲作用。本设计将驱动器及控制装置与肘关节外骨骼分开布置，将驱动器及控制装置放入后背包，通过绳驱方式实现传动，这样的设计方式不仅具有柔性驱动器控制精度高，输出阻抗低，抗冲击载荷强等优点，同时兼具有绳驱传动的结构简洁，穿戴便携，运动柔顺等优点。本发明在外骨骼的设计中，模拟人体肘关节运动特性，设计两个被动自由度，在运动过程中实现肘关节外骨骼相对人体肘关节的自适应调整，提高了安全性。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是肘关节外骨骼结构示意图；

图3是弧形槽导轨和弧形滑块限位件结构示意图；

图4是主传动机构左侧爆炸示意图；

图5是上臂左转动盘和前臂左转动盘内侧的弧形限位块示意图；

图6是绳驱结构示意图；

图7是驱动机构示意图；

图8为主传动机构右侧结构示意图。

图中，1-上臂左支撑板，2-上臂外套，3-上臂右支撑板，4-上臂内套，6-弧形滑块限位件一，5-弧形滑块一，7-左弧形槽导轨，8-弧形滑块二，9-弧形滑块限位件二，10-右弧形槽导轨，11-上臂左转动盘，12-上臂右转动盘，13-前臂左转动盘，14-前臂右转动盘，15-左支撑轴，16-右支撑轴，17-卡簧，18-挡边轴承，19-空心轴编码器，20-前臂支撑板一，21-前臂支撑板二，22-直线导轨副一，23-直线导轨副二，24-导轨副连接件一，25-导轨副连接件二，26-直线导轨一，27-直线导轨二，28-前臂内套，29-前臂外套，30-外骨骼驱动轮盘，31-钢丝绳一，32-钢丝绳二，33-绳驱V型支撑块，34-钢丝绳管一，35-钢丝绳管二，36-线管套，37-绳驱支撑座，38-钢丝卡头，39-气孔螺钉，40-驱动器绳驱轮盘，41-柔性驱动模块，42-旋转编码器，43-编码器固定件，44-驱动器支撑件，45-驱动器支撑座，46-驱动器固定底座，47-方钢固定角件，48-绳驱固定座。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的机器人包括：肘关节外骨骼机构Ⅰ，驱动机构Ⅱ和控制装置Ⅲ。

如图2所示，本发明的肘关节外骨骼机构Ⅰ包括：上臂支撑机构，主传动机构以及前臂支撑机构。

上臂支撑机构包括上臂左支撑板1，上臂外套2，上臂右支撑板3，上臂内套4，弧形滑块一5，弧形滑块二8，左弧形槽导轨7，右弧形槽导轨10，弧形滑块限位件一6，弧形滑块限位件二9。如图3所示，所述弧形滑块一5为工字型滑块，所述左弧形槽导轨7内侧设有弧形滑块限位件一6，所述弧形滑块限位件一6上边沿卡在弧形滑块一5的中部凹槽内，弧形滑块限位件一6两端与左弧形槽导轨7另一边之间距离小于工字型滑块底部宽度。右弧形槽导轨10上的结构与左弧形槽导轨7上的结构一样。

其中上臂外套2与上臂左支撑板1，上臂右支撑板3紧固连接，达到支撑稳定上臂结构的作用，上臂内套4与弧形滑块一5，弧形滑块二8固定连接，弧形滑块限位件一6与左弧形槽导轨7固定连接，弧形滑块限位件二9与右弧形槽导轨10固定连接，所述弧形滑块一5和弧形滑块二8分别可在相应的左弧形槽导轨7和右弧形槽导轨10内滑动，左弧形槽导轨7、右弧形槽导轨10、上臂内套4和上臂外套2四者的圆弧圆心重合，通过弧形滑块在弧形槽导轨内滑动，可以带动上臂内套4相对于上臂外套2旋转，实现肘关节外骨骼旋转轴在水平面内绕着上臂中心轴转动。

本发明的主传动机构包括上臂左转动盘11，上臂右转动盘12，前臂左转动盘13，前臂右转动盘14，左支撑轴15，右支撑轴16，挡边轴承17，卡簧18，空心轴编码器19。

其中左侧部分，上臂左转动盘11设有与上臂左支撑板1紧固连接的凹槽，这样上臂左转动盘11与上臂左支撑板1整体上处于一个平面，有利于保护手臂，上臂左转动盘11内侧面设有通过螺钉固定相连的左弧形槽导轨7，左支撑轴15右轴端也与上臂左转动盘11内侧紧固连接，挡边轴承18的内圈与左支撑轴15固定连接，挡边轴承18的外圈与前臂左转动盘13固定连接，实现前臂左转动盘13相对上臂左转动盘11绕着左支撑轴15旋转。在左支撑轴15另一端上设计了卡簧槽，卡簧槽内设有卡簧17，实现挡边轴承18与前臂左转动盘13相对左支撑轴15的轴向定位，左支撑轴15另一端插入空心轴编码器19中固定，具体结构如图4所示。另外，为了保护人体肘关节，在上臂左转动盘11与前臂左转动盘13相对的内侧分别设有弧形限位块，所述上臂左转动盘11和前臂左转动盘13上弧形限位块交错设置，如图5所示，通过弧形限位块限制上臂左转动盘11和前臂左转动盘13相对旋转角度，使得其相对转动角度在0°到150°之内。主传动机构右侧机构除了没有空心轴编码器19之外与左侧机构相似，这里不作赘述。

本发明的前臂支撑机构包括前臂支撑板一20，前臂支撑板二21，直线导轨一26，直线导轨二27，直线导轨副一22，直线导轨副二23，导轨副连接件一24，导轨副连接件二25，前臂外套29，前臂内套28。

其中前臂支撑板一20与前臂左转动盘13紧固连接，前臂支撑板二21与前臂右转动盘14紧固连接，前臂支撑板一20和前臂支撑板二21内侧分别固定设有直线导轨一26和直线导轨二27，直线导轨一26和直线导轨二27上分别设有直线导轨副一22和直线导轨副二23，前臂内套28一边通过导轨副连接件一24与直线导轨副一22固定连接，前臂内套28另一边通过导轨副连接件二25与直线导轨副二23固定连接；通过直线导轨副在直线导轨上滑动可以带动前臂内套28相对于前臂外套29前后滑动，从而实现肘关节外骨骼旋转轴在矢状面内的平动。

本发明的驱动机构Ⅱ包括：绳驱传动机构、驱动器、以及绳驱固定座48。

如图6所示，本发明的绳驱传动机构包括：外骨骼驱动轮盘30，钢丝绳一31，钢丝绳二32，绳驱V型支撑块33，钢丝绳管一34，钢丝绳管二35，线管套36，绳驱支撑座37，钢丝卡头38，气孔螺钉39，驱动器绳驱轮盘40。

其中钢丝绳一31、钢丝绳二32通过固定在外骨骼驱动轮盘30上的两个气孔螺钉39内孔绕在外骨骼驱动轮盘30上，本实施例所用的钢丝绳一31和钢丝绳二32是标准自行车刹车线，其一端是圆柱头，由于绕在外骨骼驱动轮盘30上的钢丝绳一31和钢丝绳二32一端是圆柱头，所以不需要钢丝卡头38固定末端，将钢丝绳管一34、钢丝绳管二35套在钢丝绳一31、钢丝绳二32上，钢丝绳管一34和钢丝绳管二35的长度要小于钢丝绳一31和钢丝绳二32的长度，在钢丝绳管一34和钢丝绳管二35两端分别套上线管套36，钢丝绳管一34和钢丝绳管二35一端通过螺钉固定在绳驱V型支撑块33上，绳驱V型支撑块33与上臂左转动盘11紧固连接，钢丝绳管一34和钢丝绳管二35另一端固定在绳驱支撑座37上，绳驱支撑座37通过螺钉固定在绳驱固定座48上，钢丝绳一31、钢丝绳二32通过固定在驱动器绳驱轮盘40上的两个气孔螺钉39内孔绕在驱动器绳驱轮盘40上，其末端通过钢丝卡头38与驱动器绳驱轮盘40紧固连接。钢丝绳一31和钢丝绳二32上下交叉布置。

如图7所示，本发明的驱动器为串联弹性驱动器，所述串联弹性驱动器包括：柔性驱动模块41，旋转编码器42，编码器固定件43，驱动器支撑件44，驱动器支撑座45，驱动器固定底座46，方钢固定角件47。

其中柔性驱动模块41包括伺服电机、内套筒、外套筒、线性弹簧以及四岔弹簧连接件，其中伺服电机末端自带电机编码器，伺服电机与内套筒紧固连接，伺服电机输出轴通过联轴器与旋转编码器42紧固连接，伺服电机另一端与驱动器绳驱轮盘40紧固连接，伺服电机可相对柔性驱动模块41的外套筒转动，旋转编码器42通过编码器固定件43与柔性驱动模块41的外套筒紧固连接，柔性驱动模块41水平摆放，柔性驱动模块41通过驱动器支撑件44与驱动器支撑座45紧固连接，驱动器固定底座46通过螺钉与驱动器支撑座45紧固连接，驱动器支撑座45与绳驱固定座48通过方钢固定角件47紧固连接。

所述控制装置Ⅲ接收空心轴编码器19、旋转编码器42以及柔性驱动模块41的电机编码器的信号，并控制柔性驱动模块41的伺服电机运转及转动幅度。

本实施例的便携式绳驱肘关节外骨骼机器人工作时：首先将肘关节外骨骼Ⅰ装置穿戴在人的手臂上，通过上臂内套4、前臂内套28以及弹性绷带固定。当柔性驱动模块41工作时，可带动驱动器绳驱轮盘40转动，通过钢丝绳一31和钢丝绳二32过渡实现外骨骼驱动轮盘30转动，进而带动外骨骼及患者手臂进行屈伸运动，实现肘关节康复训练功能及各类助力功能。

具体的驱动工作为：当柔性驱动模块41中伺服电机正转时，带动驱动器绳驱轮盘40顺时针转动，由于钢丝绳一31和钢丝绳二32两端分别固定在驱动器绳驱轮盘40和外骨骼驱动轮盘30上，钢丝绳一31上产生拉力，从而带动外骨骼驱动轮盘30逆时针转动，实现肘关节外骨骼Ⅰ的前屈运动。通过柔性驱动模块41中伺服电机自带的编码器测量电机轴相对伺服电机的转动量以及旋转编码器42测量柔性驱动模块41内部弹簧的压缩量实现对柔性驱动模块41的力控制，安装在外骨骼关节处的空心轴编码器19通过测量外骨骼驱动轮盘30相对上臂左转动盘11的转动量实现对肘关节外骨骼机构Ⅰ的阻抗控制。

在肘关节外骨骼机构Ⅰ的前屈或后伸运动时，上臂内套4可相对上臂外套2具有一定幅度的旋转，因此可以防止上臂和前臂在单一平面内屈伸时而对手臂造成损失，同时由于手臂弯曲过程中，手臂前端相对于肘关节外骨骼机构Ⅰ会有一定幅度的滑动，因此前臂外套29内设置可前后滑动的前臂内套28，前臂内套28与手臂固定，这样可大大减少手臂因与肘关节外骨骼机构Ⅰ相对滑动带来的损伤。

当柔性驱动模块41中电机反转时，同理在钢丝绳二32上产生拉力，可实现肘关节外骨骼机构Ⅰ的后伸运动。

本发明的一种便携式柔性肘关节外骨骼机器人，其柔性驱动形式不仅可以用于本肘关节的结构设计，同样适用于上肢其余各单关节以及下肢各单关节的驱动设计。该机器人不只适用于康复医疗训练，还具备助力功能，适合在各类搬运、攀爬等方面应用推广。